高中生物课件《基因的表达

基因的表达基因的表达是指从基因信息获取蛋白质的过程这是生物体维持生命的关键过程之一我们将通过本课程深入了解基因表达的机制探讨其在生命活动中的重要,作用基因的结构和功能遗传物质蛋白质编码调控机制基因由分子组成是遗传物质的载基因通过蛋白质的合成来实现其功能基因的表达受到复杂的调控包括启动DNA,,,体保存和传递遗传信息控制细胞的生长发育和代谢活动子、转录因子等确保生命活动的有序,,进行基因的复制解旧DNA双链解开暴露出每条单链作为模板DNA,核酸碱基配对自由浮动的碱基按照互补原则配对形成新的双链,复制酶作用DNA复制酶沿着模板单链合成新的互补链DNA转录过程起始1模板上的启动子区与聚合酶结合标志着转录过程的DNA RNA,开始延伸2聚合酶沿着模板链移动不断合成新的核苷酸RNA DNA,RNA终止3当聚合酶遇到终止信号时就会停止合成并释放新合成的RNA,分子RNA转录的步骤开链DNA1聚合酶识别并结合于启动子区域RNA链模板形成2聚合酶开始沿模板合成互补的链RNA DNA RNA延伸和终止3链不断延伸直至遇到终止信号RNA成熟处理RNA4前体需要经过剪切和加帽等过程RNA转录过程可分为四个主要步骤开链、链模板形成、延伸和终止、成熟处理聚合酶首先识别并结合到启动子区域然后开始沿模:DNARNADNA,DNA板合成互补的链当遇到终止信号时链停止延伸并经过剪切和加帽等成熟处理后成为可以翻译的成熟RNA,RNA,mRNA转录的调控机制转录因子表观遗传调控基因调控网络转录因子通过特定的序列识别和结合甲基化、组蛋白修饰等表观遗传机制基因表达并非单一调控而是复杂的调控网DNA,DNA,可以促进或抑制基因的转录是基因表达调可以改变染色质的结构从而影响转录过程络转录因子、表观遗传等多种机制协同调,,,控的关键元素控基因表达启动子区作用结构调控启动子区是基因表达的关键部启动子区包含一系列核苷酸序转录因子可结合启动子区诱,位它位于基因的起始位置为列如框、转录起始位点导或抑制转录从而对基因表,,,TATA,聚合酶提供结合和开始转和转录因子结合位点等这些达水平进行精细调控启动子RNA,录的信号序列相互协调调控转录的起始区是基因表达调控的核心区域剪切和成熟转录后加工1将初级转录本转变为可被翻译的成熟mRNA帽加帽52在端加上一个保护性的鸟嘌呤帽5内含子剪切3切除编码区以外的非编码区序列加尾巴34在端加上一段多聚腺苷酸尾巴3转录结束后初级转录本还需要经历一系列的后期加工过程才能变成成熟的分子这些加工包括端帽加成、内含子剪切以及端多聚腺苷酸,,mRNA53尾巴的加成使获得稳定性和可翻译性,mRNA核糖体的结构和功能核糖体的结构核糖体的功能12核糖体由大小两个亚基组成大核糖体是细胞中进行蛋白质合,亚基负责氨基酸的连接小亚基成的场所将遗传信息转化为具,,负责信使的识读和翻译体的蛋白质分子RNA核糖体的分布核糖体的特点34核糖体广泛分布在细胞质中包核糖体结构复杂具有高度专一,,括游离核糖体和膜结合核糖体性能高效精准地完成蛋白质合,两种形式成翻译过程进入核糖体mRNA合成蛋白质的过程从进入核糖体开始核糖体负责识别mRNA上的编码信息mRNA携带氨基酸tRNA携带相应的氨基酸来与上的密码子配对一个一个将tRNA mRNA,氨基酸连接起来肽链合成在核糖体的催化作用下上的氨基酸逐个结合形成肽链最,tRNA,终合成出完整的蛋白质氨基酸的结构和性质化学结构极性特性电荷状态氨基酸由氨基、羧基和侧链三部分组成，侧根据侧链的极性性质，氨基酸可分为极性、氨基酸在不同条件下其氨基和羧基会呈pH,链的不同决定了氨基酸的种类及性质非极性和带电等不同类型现不同电荷状态从而影响其性质,蛋白质的结构层次一级结构二级结构三级结构四级结构蛋白质的一级结构是指氨基酸二级结构包括螺旋和折三级结构是指蛋白质折叠后形四级结构是指由多个亚基通过α-β-的线性排列顺序决定了蛋白叠由氢键稳定维持赋予蛋白成的复杂空间构型由各种键非共价键结合而成的更高级别,,,,质的基本化学组成质特定的空间构型合力相互作用而成的蛋白质结构蛋白质的折叠初级结构1蛋白质的一维序列二级结构2螺旋和折叠αβsheets三级结构3空间构象四级结构4多肽链的聚合蛋白质的折叠过程是从初级结构到最终的三维构象的过程由于蛋白质分子内部和分子间各种化学键的作用力蛋白质能够自发地折叠成特定的空间,构象从而获得其独特的生物学功能这个过程非常复杂涉及多种非共价键作用力的协同作用,,蛋白质的修饰翻译后修饰蛋白质折叠定位和运输蛋白质在翻译后会经历各种化学修饰如磷翻译后的蛋白质会经历复杂的折叠过程形蛋白质还会经历定位和运输过程被定位到,,,酸化、甲基化、乙酰化等这些修饰会改变成正确的三维结构以发挥其生物活性细胞内特定的亚细胞结构或器官中发挥作用,,蛋白质的性质和功能基因表达的调控基因表达水平调控转录起始调控反馈调控机制通过调节基因转录和转录后过程可以控制转录调控因子可结合启动子区域影响基因表达的产物可以反馈调控自身或其他相,,RNA基因在不同时空的表达水平从而实现代谢聚合酶的结合和转录的启动过程从而调控关基因的表达维持细胞内物质代谢和生理,,,、生长发育等生命活动的精细调控基因的转录水平活动的动态平衡基因表达的水平基因表达的时间基因表达的时间生物体发育的不同阶段细胞类型的不同基因表达不是恒定的而是随时间变化胚胎发育初期、成体生长发育等阶段神经细胞、肌肉细胞、肝细胞等,不同基因在不同时间被激活或抑制表达特定基因来调控细胞分化和发育表达不同基因以维持各自的功能基因表达时间的动态调控是生物体实现复杂功能的重要机制这使得不同细胞类型在不同发育阶段能够表达特定的基因从而维持细胞特性,和整体的生理功能基因表达的空间基因表达不仅受时间调控也受空间调控不同细胞类型和组织器官对基因表达有独特,的控制机制1010K主要组织细胞类型基因表达主要发生在种主要组织器官在这些组织中存在多种不同的细10,,10,000如肝脏、肾脏、大脑等胞类型每种都有特定的基因表达模式,2%80%总基因数脑部基因仅的基因在所有细胞中都表达其他基大脑中约有的基因在该器官中特异2%,80%因有组织特异性的表达性表达反馈调控机制负反馈机制正反馈机制层次性调控生物体通过负反馈调节来维持内部环境正反馈调节可以放大初始变化使系统基因表达受多个层级的调控如转录、,,的稳定如体温调节、血糖浓度调节等达到新的稳定状态如受精卵的卵裂与翻译、蛋白质修饰等过程都可以通过反,,,快速检测与目标值的偏差并作出相应调胚胎发育馈机制进行精细调节整基因突变与表达基因突变对表达的影共价修饰的改变12响一些突变可能会改变序列DNA基因突变可能会导致蛋白质结,影响基因转录过程中的共价修构和功能的改变,从而影响基因饰,如甲基化、乙酰化等表达的水平和模式调控因子的变化中间产物的影响34基因突变还可能改变调控转录基因突变可能影响的稳mRNA和翻译的转录因子和调控元件定性和加工过程以及,的功能和小分子对基ribozyme RNA因表达的调控基因表达与疾病基因突变与疾病基因表达水平与疾病基因工程在医疗中的应用基因突变可能会导致遗传性疾病如遗传性某些疾病与基因的过度表达或低表达有关基因工程技术可用于治疗遗传性疾病如基,,癌症、遗传性神经疾病等及时发现和诊断检测基因表达水平变化有助于疾病的诊断和因治疗通过调控基因表达也可开发新的,这些突变对于预防和治疗这些疾病非常关键治疗药物和疗法基因工程技术操作技术基因表达调控多重基因整合基因组编辑DNA基因工程技术包括切割借助各种调控元件如启动子可以同时整合多个有用基因等技术可精准DNA,,CRISPR-Cas

9、连接、克隆等操作方法能和抑制子基因工程可以精准构建出具有复杂性状的转基因定位并修改基因组序列实现,,,够准确地从中切割出目地控制目标基因的表达水平和生物如抗病毒、多抗体生产基因的定点突破与改造在医DNA,,标基因并将其插入到载体或时间发挥其预期功能能力等疗和农业等领域有广泛应用,,其他生物的基因组中基因工程在医学中的应用诊断和预防疾病创新药物研发基因工程技术可以用于快速准确利用基因工程可以生产出具有新检测遗传性疾病帮助早期诊断和的功能和性质的生物制药产品如,,预防治疗疫苗和治疗性蛋白基因治疗通过基因替换或编辑可以治疗由单一基因缺陷导致的遗传性疾病为患者带,,来希望基因工程在农业中的应用作物改良动物育种基因工程技术可以提高作物抗病基因工程还可用于改善畜禽品种虫性、提高产量、增加营养价值如提高奶牛产奶量、提高肉牛,等如转基因抗病虫水稻、抗旱育肥速度等小麦等生物农药生物肥料利用基因工程技术培养出高效的通过基因改造微生物开发高效,生物农药减少化学农药污染的生物肥料提高土壤肥力减少,,,如枯草芽胞杆菌农药化肥污染基因工程带来的伦理问题倫理挑戰監管制度基因工程技術的迅速發展帶來了諸多制定適當的監管制度以確保基因技術倫理困境如克隆技術、基因編輯等的的安全和合理使用至關重要,倫理合法性公平正義人權保護基因技術可能導致社會公平正義問題需要保護個人隱私和人類基因信息避,,如是否會加劇貧富差距免基因技術侵犯個人基本權利基因组计划人类基因组计划测序技术的发展基因组数据应用DNA该计划旨在绘制和测序人类基因组，是生物先进的测序仪和计算机技术使基因组基因组数据广泛应用于医疗、农业、生物技DNA学史上最大规模和最复杂的科学项目之一计划得以成功完成，为后续基因组研究奠定术等领域推动了生命科学的发展,了基础个体基因组和社会基因隐私权基因歧视风险个人基因信息的隐私保护是一个重要的社会议题制定相关法规保个人基因信息泄露可能导致就业或保险歧视社会需要制定相关政策,,护个人基因信息不被滥用或泄露防止此类风险基因检测获取基因数据共享个人应该有权自主决定是否进行基因检测并决定如何使用自己的基为科学研究目的共享基因数据应得到个人授权并确保数据安全和隐,,因信息私保护基因检测技术与个人隐私隐私保护基因检测数据涉及个人隐私必须确保严格的隐私保护措施防止信息泄露,,数据安全基因检测数据储存和传输过程中必须采取严密的安全措施防范黑客攻击,知情同意进行基因检测前必须取得受检者的知情同意并告知检测范围和使用目的,基因编辑技术的发展与监管快速发展的基因编辑技术伦理和安全隐忧12等基因编辑技术不断进步可精准编辑基因序基因编辑可能会带来不可预知的后果引发伦理和安全方面的CRISPR-Cas9,,列在医疗、农业等领域应用广泛担忧需要严格监管,,国际社会呼吁规制平衡创新与安全34多国政府和国际组织正在制定相关法规和指南以管控基因编监管应促进创新同时确保基因编辑技术的安全性和伦理合规,,辑技术的使用平衡利弊性维护社会公众利益,,基因表达研究的未来随着基因科学的不断进步基因表达研究将朝着更深入、更广泛的方向发展为我,,们揭示生命奥秘造福人类社会未来的基因表达研究将集中在基因调控机制、,表观遗传调控、个性化医疗等前沿领域。